Efecto fotovoltaico y sus variedades
Por primera vez, el llamado efecto fotovoltaico (o fotovoltaico) fue observado en 1839 por el físico francés Alexandre Edmond Becquerel.
Experimentando en el laboratorio de su padre, descubrió que al iluminar placas de platino sumergidas en una solución electrolítica, un galvanómetro conectado a las placas indicaba la presencia de fuerza electromotriz… Pronto, Edmund, de diecinueve años, encontró una aplicación útil para su descubrimiento: creó un actinógrafo, un dispositivo para registrar la intensidad de la luz incidente.
Hoy en día, los efectos fotovoltaicos incluyen todo un grupo de fenómenos, de una forma u otra, relacionados con la aparición de una corriente eléctrica en un circuito cerrado, que incluye una muestra semiconductora o dieléctrica iluminada, o el fenómeno EMF en una muestra iluminada, si el el circuito externo está abierto. En este caso, se distinguen dos tipos de efectos fotovoltaicos.
El primer tipo de efectos fotovoltaicos incluye: alta foto-EMF eléctrica, foto-EMF de volumen, foto-EMF de válvula, así como el efecto fotoepizoeléctrico y el efecto Dember.
Los efectos fotovoltaicos del segundo tipo incluyen: el efecto de arrastre de electrones por fotones, así como efectos fotovoltaicos superficiales, circulares y lineales.
Efectos del primer y segundo tipo
Los efectos fotovoltaicos del primer tipo son causados por un proceso en el que un efecto de luz genera portadores de carga eléctrica móviles de dos caracteres: electrones y huecos, lo que conduce a su separación en el espacio de la muestra.
La posibilidad de separación está relacionada en este caso con la falta de homogeneidad de la muestra (su superficie puede considerarse como la falta de homogeneidad de la muestra) o con la falta de homogeneidad de la iluminación cuando la luz se absorbe cerca de la superficie o cuando solo parte de la misma. La superficie de la muestra está iluminada, por lo que la EMF surge debido a un aumento en la velocidad del movimiento térmico de los electrones bajo la influencia de la luz que cae sobre ellos.
Los efectos fotovoltaicos del segundo tipo están asociados con la asimetría de los procesos elementales de excitación de los portadores de carga por la luz, la asimetría de su dispersión y recombinación.
Efectos de este tipo aparecen sin la formación adicional de pares de portadores de carga opuestos, son causados por transiciones entre bandas o pueden estar relacionados con la excitación de portadores de carga por impurezas, además, pueden ser causados por la absorción de energía luminosa por parte de la transportistas de carga gratuita.
A continuación, veamos los mecanismos de los efectos fotovoltaicos. Primero veremos los efectos fotovoltaicos del primer tipo, luego centraremos nuestra atención en los efectos del segundo tipo.
Efecto más grueso
El efecto Dember puede ocurrir bajo una iluminación uniforme de la muestra, simplemente debido a la diferencia en las tasas de recombinación de la superficie en sus lados opuestos. Con una iluminación desigual de la muestra, el efecto Dember es causado por la diferencia en los coeficientes de difusión (diferencia en movilidad) de electrones y huecos.
El efecto Dember, iniciado por iluminación pulsada, se utiliza para generar radiación en el rango de los terahercios. El efecto Dember es más pronunciado en semiconductores de brecha estrecha y alta movilidad de electrones, como InSb e InAs.[banner_adsense]
Barrera foto-EMF
La puerta o barrera foto-EMF resulta de la separación de electrones y huecos por un campo eléctrico. de la barrera de Schottky en el caso de un contacto metal-semiconductor, así como el campo Unión PN o heterounión.
La corriente aquí está formada por el movimiento de ambos portadores de carga generados directamente en la región de la unión pn, y aquellos portadores que se excitan en las regiones cercanas al electrodo y alcanzan la región del campo fuerte por difusión.
La separación de pares promueve la formación de flujo de huecos en la región p y flujo de electrones en la región n. Si el circuito está abierto, entonces el EMF actúa en la dirección directa de la unión p-n, por lo que su acción compensa el fenómeno original.
Este efecto es la base del funcionamiento. células solares y detectores de radiación altamente sensibles con baja respuesta.
Foto-EMF volumétrico
La foto-EMF a granel, como su nombre indica, surge como resultado de la separación de pares de portadores de carga en la mayor parte de la muestra en las faltas de homogeneidad asociadas con un cambio en la concentración del dopante o con un cambio en la composición química (si es necesario). el semiconductor es compuesto).
Aquí, el motivo de la separación de los pares es el llamado Un campo contraeléctrico creado por un cambio en la posición del nivel de Fermi, que a su vez depende de la concentración de impurezas. O, si estamos hablando de un semiconductor con una composición química compleja, la división de pares resulta de un cambio en el ancho de banda.
El fenómeno de la aparición de fotoeléctricos a granel es aplicable al sondeo de semiconductores para determinar el grado de su homogeneidad. La resistencia de la muestra también está relacionada con las faltas de homogeneidad.
Foto-EMF de alto voltaje
La foto-EMF anormal (de alto voltaje) ocurre cuando la iluminación no uniforme provoca un campo eléctrico dirigido a lo largo de la superficie de la muestra. La magnitud de la EMF resultante será proporcional a la longitud del área iluminada y puede alcanzar los 1000 voltios o más.
El mecanismo puede ser causado por el efecto Dember, si la corriente difusa tiene un componente dirigido a la superficie, o por la formación de una estructura p-n-p-n-p que se proyecta hacia la superficie. La EMF de alto voltaje resultante es la EMF total de cada par de uniones asimétricas n-p y p-n.
Efecto fotoepizoeléctrico
El efecto fotoepizoeléctrico es el fenómeno de la aparición de una fotocorriente o fotoemf durante la deformación de la muestra. Uno de sus mecanismos es la aparición de EMF a granel durante la deformación no homogénea, lo que lleva a un cambio en los parámetros del semiconductor.
Otro mecanismo para la aparición de CEM fotoepisoeléctricos es el CEM de Dember transversal, que ocurre bajo deformación uniaxial, lo que provoca anisotropía del coeficiente de difusión de los portadores de carga.
El último mecanismo es más efectivo en las deformaciones de semiconductores de múltiples valles, lo que lleva a una redistribución de portadores entre valles.
Hemos visto todos los efectos fotovoltaicos del primer tipo, luego veremos los efectos atribuidos al segundo tipo.
El efecto de la atracción de electrones por fotones.
Este efecto está relacionado con la asimetría en la distribución de fotoelectrones sobre el momento obtenido de los fotones. En estructuras bidimensionales con transiciones de minibanda óptica, la fotocorriente deslizante es causada principalmente por transiciones de electrones con una cierta dirección de momento y puede exceder significativamente la corriente correspondiente en cristales a granel.
Efecto fotovoltaico lineal
Este efecto se debe a la distribución asimétrica de fotoelectrones en la muestra. Aquí, la asimetría está formada por dos mecanismos, el primero de los cuales es balístico, relacionado con la direccionalidad del pulso durante las transiciones cuánticas, y el segundo es de corte, debido al desplazamiento del centro de gravedad del paquete de ondas de electrones durante las transiciones cuánticas.
El efecto fotovoltaico lineal no está relacionado con la transferencia de momento de los fotones a los electrones, por lo tanto, con una polarización lineal fija, no cambia cuando se invierte la dirección de propagación de la luz.Los procesos de absorción y dispersión de la luz y la recombinación contribuyen a la corriente (estas contribuciones se compensan en el equilibrio térmico).
Este efecto, aplicado a los dieléctricos, permite aplicar el mecanismo de la memoria óptica, porque provoca un cambio en el índice de refracción, que depende de la intensidad de la luz, y continúa incluso después de que se apaga.
Efecto fotovoltaico circular
El efecto se produce cuando se ilumina con luz polarizada elíptica o circularmente procedente de cristales girotrópicos. El EMF invierte el signo cuando cambia la polarización. La razón del efecto radica en la relación entre el espín y el momento del electrón, que es inherente a los cristales girotrópicos. Cuando los electrones son excitados por luz polarizada circularmente, sus giros están orientados ópticamente y, en consecuencia, se produce un pulso de corriente direccional.
La presencia del efecto contrario se expresa en la aparición de actividad óptica bajo la acción de una corriente: la corriente transmitida provoca la orientación de los espines en los cristales girotrópicos.
Los tres últimos efectos sirven en receptores inerciales. radiación láser.
Efecto fotovoltaico de superficie
El efecto fotovoltaico superficial ocurre cuando la luz es reflejada o absorbida por portadores de carga libres en metales y semiconductores debido a la transferencia de momento de fotones a electrones durante la incidencia oblicua de la luz y también durante la incidencia normal si la normal a la superficie del cristal difiere en dirección de uno de los principales ejes de cristal.
El efecto consiste en el fenómeno de dispersión de portadores de carga excitados por la luz sobre la superficie de la muestra. En el caso de la absorción interbanda, se produce bajo la condición de que una fracción significativa de los portadores excitados llegue a la superficie sin dispersarse.
Entonces, cuando los electrones se reflejan desde la superficie, se forma una corriente balística, dirigida perpendicularmente a la superficie. Si, al excitarse, los electrones se disponen en inercia, puede aparecer una corriente dirigida a lo largo de la superficie.
La condición para la aparición de este efecto es la diferencia en el signo de los componentes distintos de cero de los valores promedio del momento "hacia la superficie" y "desde la superficie" para los electrones que se mueven a lo largo de la superficie. La condición se cumple, por ejemplo, en cristales cúbicos, tras la excitación de los portadores de carga de la banda de valencia degenerada a la banda de conducción.
En la dispersión difusa por una superficie, los electrones que la alcanzan pierden la componente de impulso a lo largo de la superficie, mientras que los electrones que se alejan de la superficie la retienen. Esto conduce a la aparición de una corriente en la superficie.